Fe-C相图与非平衡相转变基础知识讲义(doc 9页)(正式版)
铁碳相图知识
铁碳相图知识看到题目，想必材料人都很熟悉了，今天一起重温当年经典的铁碳相图基础知识，记得收藏学习哦~一、准备知识首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下：合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。
相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。
固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。
二、铁碳合金相铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体。
1、铁素体铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号'F'(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。
δ=30%~50%, AKU=128~160J，σb=180~280MPa, 50~80HBS。
铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。
七章FeFeC相图课件
二.经典合金旳结晶过程
（一）工业纯铁1.当T在T1～T2时,由L→δ;2.在T2～T3时δ旳成份不变; 3. 在T3～T4时由δ→γ; 4. T4～T5,γ成份不变 ;5. T5～T6, 由γ→α;6. T7～室温, α → Fe3CⅢ .室温组织为：α ＋Fe3CⅢ
含碳0.01%旳工业纯铁结晶过程示意图
α＋P（F＋Fe3C ）
室温组织中组织构成物相对重量为: P＋α
室温组织中相构成物相对重量： α+ Fe3C
C％↑P％↑α％↓
40钢
60钢
平衡组织中含碳量旳近似求法：
C％≈ P％ ×0.8％
30钢
20钢
3.过共析钢旳结晶过程分析及组织
（1）T1～T2之间，由L→γ （2）T2～T3之间，γ 成份不变（3）T3～T4之间由γ→Fe3CⅡ , 组织为：γ＋ Fe3CⅡ含碳量不小于1.2％旳合金,Fe3CⅡ呈网状沿γ晶界析出。（4）T4时，剩余γ发生共析反应生成P,组织为P+Fe3CⅡ反应式为：
一.相及相区:
相：L、α、γ、Fe3C、δ五个基本相。
二.线:
(一)液相线-ABCD线
(二)固相线-AHJECF线
(三)三条水平线：
1.共晶线- ECF线, E～F之间旳合金冷却到1148℃ 时将发生共晶反应,反应式为:
“Ld”为高温莱氏体,恒温结晶。
2.共析线-PSK线（A1线）
P～K之间旳合金冷却到727℃时将发生共析反应，反应式为:
（2）奥氏体：
定义：碳原子溶入γ-Fe旳八面体间隙形成旳固溶体。表达。
含碳量：①727℃时0.77%C (S点) ②1148℃时2.11%C (E点-最大含碳量)
性能：强度、硬度较低,高塑性,高韧性，具有良好旳 铸造性能；奥氏体具有顺磁性。
Fe-C相图
第十二节课铁碳相图从此开始，主要讲钢铁。
钢铁的内容看似繁杂，实际上也有一条主线，那就是：二元四火二图六体二元：铁，碳。
四火：退火，淬火，正火，回火。
二图：铁碳相图，TTT图。
六体：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，贝氏体，马氏体。
铁碳的关系。
为什么二者有如此亲密关系？确实是上帝造成的。
自然有：焦碳使氧化铁还原这层关系。
但它们的关系远不是这些。
这二者的主要关系在于碳能固溶在铁中，而产生相变，影响热处理。
铜，铝中均不能与碳固溶，也没有相应的相变，及碳的影响，更没有与碳的合金。
纯铁中的α←→γ相变，比较简单。
在短时间内就可以完成。
而碳钢中，则是α←→γ+Fe3C，比较复杂。
如果时间足够的话，还可以完成这一相变。
时间一短，则使此相变半途中止，出现马氏体。
α最多固溶0.02% C, γ可固溶2.11% C，相差近100倍。
只有钢铁的热处理产生千差万别的性质，而铜铝则没有这种固态相变和热处理。
首先在黑板上画出铁碳相图。
相图中有一个包晶反应，一个共析反应和一个共晶反应。
此铁碳相图只是碳含量至 6.68wt%的部分，不是如其他二元相图那样两种元素含量都到100%的成分。
讲解各相的意义，有α、γ、δ相，但没有β相。
以前曾以为α相中的居里点是相的转变，并命名为β相。
α、γ、δ相分别被称为α铁素体、γ奥氏体、δ铁素体。
此铁碳相图实际上是铁―Fe3C（渗碳体）相图。
即碳以渗碳体的形式存在。
碳也可能以石墨的形式存在。
所以还有一个铁―石墨相图。
为什么铁碳相图的右上方的渗碳体的熔点线是虚线？渗碳体的熔点的理论计算值为1227℃，为什么没有实验值？再画出冷却曲线。
讲解其中A0、A1、A2、A3、A4意义。
其顺序是按温度高低来排定的。
但在某一铁碳合金，如在纯铁中，并不是同时可以观察到所有这些点。
A0210℃，渗碳体的居里点。
A1727℃，共析温度。
A2770℃，α铁的居里点，纯铁的磁性转变温度A3912℃（纯铁），α←→γ重大的利用价值A41394℃（纯铁），γ←→δ实用材料中没有什么利用价值铁碳相图的5个点wt%：P 0.0218% C 最大α铁素体碳含量，共析相变左点S 0.77% C 共析点E 2.11% C 最大奥氏体碳成分，共析相变右点C 4.30% C 共晶点F 6.69% C 渗碳体成分转变的温度迟滞现象：加热时，α→γ转变在高于A3的某一温度进行，该温度称为：A c3冷却时，α←γ转变在低于A3的某一温度进行，该温度称为：A r3注意：A2没有温度迟滞现象。
铁—碳平衡图的基本知识
铁一碳平衡图的基本知识提要：铸铁的合金与熔炼与铁一碳合金相图关系密切，它是铸铁合金与熔炼的理论基础。
将合金与熔炼中发生的现象与铁一碳合金相图联系分析，可知其然并知其所以然。
从基础的理论上去分析实际问题，避免在指导与解决生产中技术问题中犯基本的错误。
铸造看似简单，实则相当复杂，大量事实证明，铸造工程师即有丰富的生产经验又有厚实的理论基础，在解决像迷阵一样的铸造缺陷中，往往思路清晰，判断准确，措施有力。
一、看懂铁一碳合金相图1、铁一碳合金相图的4个概念（1）合金相图：表示合金状态与温度、成分之间关系的图形称为合金相图，是研究合金结晶过程中组织形成与变化规律的工具。
（2）铁—碳合金相图：在极缓慢冷却条件下，不同成分的铁碳合金在不同温度下形成各类组织的图形。
（3）铁—碳双重相图：铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁一碳合金相图存在两重性，即Fe-C （石墨）相图与c 相图。
Fe—Fe3c系相图（4）稳定系与亚稳定型铁碳相图：在一定的条件下，Fe—Fe3可以向Fe—C （石墨）转化，故称Fe—C （石墨）为稳定系相图（用虚线表示），Fe—Fec为亚稳定系相图（用实线表示），3如图1所示。
C%图1 Fe—C （石墨）、Fe—Fe3c双重相图1）铸铁的性能是由铸铁中的组织决定的要保证铸铁的性能，就必须控制组织，合金相图就是研究合金组织是如何形成的，在形成的过程中，它的变化规律是怎样的，铸造工程师必须了解这些规律，才能有效地控制组织，达到满足铸铁性能的目的。
这就是我们为什么要研究铁碳合金相图的目的，其中对（2）（3）（4）概念的理解尤为重要。
2）铁-碳合金相图概念阐明了三点：在极缓慢的冷却条件下、在不同的成分下、在不同的温度下形成的各类组织。
铁一碳相图是在极缓慢冷却下形成的，实际生产中冷却速度远大于合金相图中的冷却速度铸型材料不同，导致冷却速度各异，所形成的组织大相径庭。
因此我们必须研究冷却速度对铸铁组织的影响。
铁碳相图知识(打印)
铁碳相图知识化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe 中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。
奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。
奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。
第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
三、 Fe- 石墨相图
1. 相图中的线和区 CD——从液相结晶出一次石墨GI； ES ——从奥氏体中析出二次石墨GII； PQ ——从铁素体中析出三次石墨GIII； ECF——共晶反应线，LC E + G PSK ——共析反应线， S P + G 2. Fe- 石墨结晶平衡组织
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
二、 Fe- Fe3C
第五章 相平衡与相图
1. 组元和相
（1）Fe为同素异构体，在常压下从高温到低温，具有3个晶态： -Fe ， -Fe， -Fe
（2）碳有两种晶态：
金刚石：金刚石结构；石墨：六方结构 （3）在Fe-Fe3C系中有4种晶体相：
• 铁素体（ 或F）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（体心立方结构）；
第五章 相平衡与相图
• 0.09% <C < 0.17 % ： L L+
• C = 0.17 %：L L+
• 0.17 % < C < 0.53 % ：L L+ L • C > 0.53 %： L
• （固溶体同素异晶转变） 脱溶分解（ +Fe3CIII）
脱溶分解（ +Fe3CII）
+Fe3C）
共析转变（
• 室温平衡组织： Fe3CII + P +Ld （ Fe3CII + P + Fe3C共晶）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
（7）过共晶白口铁， 4.30%<C<6.69%； • L Fe3CI 共晶转变 L（ + Fe3C）Ld
Fe-C相图的基本知识
知识点三 典型合金的结晶过程及组织
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为： 1）工业纯铁 ωc＜0.0218%。 2）钢 0.0218%＜ωc＜2.11%，又可分为： 亚共析钢 0.0218%＜ωc＜0.77%； 共析钢 ωc=0.77%； 过共析钢 0.77%＜ωc＜2.11%。 3）白口铸铁 2.11%＜ωc＜6.69%，又可分为以下三种： 亚共晶白口铸铁 2.11%＜ωc＜4.3% 共晶白口铸铁 ωc=4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%＜ωc＜6.69%
2、在铸造生产上的应用
由Fe- Fe3C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶 温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中， 经常选用接近共晶成分的铸铁。
图1-46 铁碳相图与铸锻 工艺间的关系
3、在锻压生产上的应用
钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强 度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时， 要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损 严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消 耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢 较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃； 终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温 度，以便打碎网状二次渗碳体。
亚共晶白口铸铁211c43共晶白口铸铁c43过共晶白口铸铁43c669一共析钢的结晶过程分析一共析钢的结晶过程分析图132典型铁碳合金结晶过程分析图133共析钢结晶过程示意图二亚共析钢的结晶过程分析二亚共析钢的结晶过程分析图134亚共析钢结晶过程示意图图135为亚共析钢的显微组织三过共析钢的结晶过程分析三过共析钢的结晶过程分析图136过共析钢结晶过程示意图图137共析钢的显微组织四共晶白口铸铁的结晶过程分析四共晶白口铸铁的结晶过程分析图138共晶白口铸铁结晶过程示意图图139共晶白口铸铁的显微组织五亚共晶白口铸铁的结晶过程分析五亚共晶白口铸铁的结晶过程分析图141亚共晶白口铸铁的显微组织图140亚共晶白口铸铁结晶过程示意图六过共晶白口铸铁的结晶过程分析六过共晶白口铸铁的结晶过程分析图143过共晶白口铸铁结晶过程示意图fefefefe33cc一碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响图144室温下铁碳合金含碳量与平衡组织组成物及相组成物间的定量关系图145含碳量对钢力学性能的影响二fefefefe33cc相图在工业中的应用相图在工业中的应用1在选材方面的应用fefe3c相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律
第4章第二讲 Fe-C合金相图
4.4 铁碳合金相图
包晶点
B J
共晶点
F C
共析点
S
K
4.4 铁碳合金相图
2. 相图中的线 液相线(ＡＢＣＤ): 结晶时液相的成分变化线 固相线(ＡＨＪＥＣＦ): 结晶时固相的成分变化线
4.4 铁碳合金相图
A H B J E C
液相线(ＡＢＣＤ):
D F
固相线(ＡＨＪＥＣＦ):
4.4 铁碳合金相图
4.4 铁碳合金相图
(1) 铁素体 ( F ) 碳溶于α–Fe中形 成的间隙固溶体。 C 原子溶于八面体间隙。 铁素体的含碳量非常 低，在727℃时C在α －Fe中最大溶解量为 0.0218%，室温下含 碳仅为0.005%，所以 其性能与纯铁相似。
4.4 铁碳合金相图
(2) 奥氏体 ( A ) Austenite 碳溶于γ-Fe 中形成的间隙 固溶体。 γ具有 fcc结构。具有 面心立方晶体 结构的奥氏体 可以溶解较多 的碳，1148°C 时最多可以溶 解2.11%的碳。
4.4 铁碳合金相图
4.4 铁碳合金相图
一、 Fe – C 二元相图基本知识
温 度
Fe
Fe3C Fe2C (6.69%C)
FeC
C
4.4 铁碳合金相图
4.4 铁碳合金相图
二、 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构 一、组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite ) 二、基本相 * 液相L、 δ相、 γ相、α相、 Fe3C相 二、基本组织 * 铁素体 ( F )、奥氏体(A)、渗碳体 ( Fe3C ) * 珠光体(P)、莱氏体(Ld)、
4.4 铁碳合金相图
ES：碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线。
铁碳相图讲解讲课文档
现在四十一页，总共一百零七页。
现在四十二页，总共一百零七页。
亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
现在四十三页，总共一百零七页。
亚共晶白口铸铁组织金相图
现在四十四页，总共一百零七页。
亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
相组成： α +Fe3C
%6.693.05.52%
6.69
F3 C e % 1 5.2 5 % 4.8 4 %
组织组成： Fe3C+P+Ld’——？
现在四十五页，总共一百零七页。
现在四十六页，总共一百零七页。
过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )
现在四十七页，总共一百零七页。
过共晶白口铸铁组织金相图
现在四十八页，总共一百零七页。
P % 1 7 .2 % 6 9 .7 2 % 4
现在三十七页，总共一百零七页。
a) 硝酸酒精浸蚀
白色网状相为二次渗碳体
暗黑色为珠光体
b) 苦味酸钠的浸蚀 黑色网状为二次渗碳体
浅白色为殊光体
现在三十八页，总共一百零七页。
共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )
现在三十九页，总共一百零七页。
现在九页，总共一百零七页。
奥氏体（Austenite）
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)， 最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具 有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为： σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。
奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利 用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状 态下进行塑性成形。
现在三十五页，总共一百零七页。
FeFeC相图学习课程
（3）白口铸铁
白 口 铸 铁 （ white cast iron） 是 含 碳 量 在
Wc=2.11～6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态
合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性， 因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以
Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能硬、脆，不能锻
造。其断口呈银白色，故称为白口铸铁。
第27页/共100页
第二十七页，编辑于星期五：十九点 十一分。
（2）钢
• 钢 （ steel） 是 含 碳 量 在 ( Wc=0.0218～2.11%) 之间的Fe、C合金。其特点是：
• 高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而可
以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织 的不同，碳钢（carbon steel）又可分为：
第14页/共100页
第十四页，编辑于星期五：十九点 十一分。
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图 全貌。根据分析围绕三 条水平线可把Fe—Fe3C
相图分解为三个部分考虑： 左上角的包晶部分，右边 的共晶部分，左下角的共 析部分。
分析点、线、区特别 是重要的点、三条水平恒 温转变线 、重要的相界 线
ferrite）]
第12页/共100页
第十二页，编辑于星期五：十九点 十一分。
Fe—C合金中的基本相
（3） 奥氏体（austenite） 奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙
固溶体称为奥氏体（austenite）。
第13页/共100页
第十三页，编辑于星期五：十九点 十一分。
Fe—C合金中的基本相
主要涉及的内容
• 绪论 • 锻造用原材料 • 锻造的热规范 • 自由锻主要工序分析 • 锻后热处理 • 性能热处理 • 金属材料的机械性能
铁碳合金的平衡组织与非平衡组织教学课件
探索铁碳合金的组织结构，了解平衡组织与非平衡组织的基本知识和重要性。
概述
铁碳合金是由铁和不超过2.11%碳组成的合金。学习铁碳相图有助于了解铁碳 合金的性质和组织结构。
平衡组织
定义
平衡组织是指在平衡状态下，由平衡相组成的 组织结构。
形成条件
铁碳合金的冷却速度应符合相图的冷却曲线。
组成
相图中的相区，包括铁素体、珠光体、马氏体 等。
性质
不同平衡组织的性质不同，例如费氏体硬度高、 强韧性好，马氏体脆。
非平衡组织
神经体
形成于高温下冷却速度过快，硬度高。
上部贝壳体
形成条件比神经体更苛刻，脆性更高。
下部贝壳体
由残余奥氏体转变而成，硬度高、韧性好。
飞鱼体
形成于低温下退火，性质与稳定珠光体相似。
参考文献
• 《材料力学》 • 《材料力学及应用》
合金组织的重要性及应用
重要性
合金组织直接影响合金材料的性能和使用寿命。
应用
合金材料广泛应用于制造业的各个领域，如航 空、航天、兵器、汽车、机械等。
结论
学习铁碳合金的平衡组织和非平衡组织有助于理解铁碳合金的性质和应用。 合金组织对合金材料的性能和使用寿命有重要影响。 未来，随着新材料、新工艺的发展，铁碳合金的应用将更广泛。
平衡组织与非平衡组织的比较
1
组成
平衡组织由平衡相组成，非平衡组织由
形成条件
2
非平衡相组成。
平衡组织的形成需要符合相图，非平衡
组织则需要快速冷却或退火。
3
Hale Waihona Puke 性质平衡组织与非平衡组织的性质差异很大， 例如硬度、韧性、脆性等。
fec相图与非平衡相转变基础知识讲义
Fe-C相图与非平衡相转变基础知识讲义-----------------------作者：-----------------------日期：Fe-C相图与非平衡相转变总结钢通常被定义为一种铁和碳的合金，其中碳含量在几个ppm到2.11wt%之间。
其它的合金元素在低合金钢中可总计达5wt%,在高合金钢例如工具钢，不锈钢（>10.5%）和耐热CrNi钢（>18%）合金元素含量甚至更高。
钢可以展现出一系列的性能，这些性能依据于钢的组成，相状态和微观组成结构，而这些又取决于钢的热处理。
Fe-C相图理解钢的热处理的基础是Fe-C相图（图一）。
图一实际上有两个图：（1）稳定态Fe-C图（点划线），（2）亚稳态Fe-Fe3C图。
由于稳态需要很长时间才能达到，特别是在低温和低碳情况下，亚稳态往往引起人们更多的兴趣。
Fe-C相图告诉我们，在不同碳含量的组成和温度下，达稳态平衡或亚稳态平衡时哪些相会生成。
我们区别了a-铁素体和奥氏体，a-铁素体在727°C （1341°F）时最多溶解0.028%C，奥氏体在1148°C （2098°F）可溶解2.11wt%C。
在碳多的一侧我们发现了渗碳体（Fe3C），另外，除了高合金钢之外，高温下存在的a-铁素体引起我们较少的兴趣。
在单相区之间存在着两相混合区，例如铁素体和渗碳体，奥氏体和渗碳体，铁素体和奥氏体。
在最高温下，液相区可被发现，在液相区以下有两相区域液态奥氏体，液态渗碳体和液态铁素体。
在钢的热处理中，我们总是避免液相的生成。
我们给单相区一些重要的边界特殊的名字：（1）A1，低共熔温度，是奥氏体生成的最低温度；（2）A3，奥氏体区域的低温低碳边界，也即r/(r+a)边界；（3）Acm,奥氏体区域的高碳边界，也即r/(r+Fe3C)边界。
低共熔温度碳含量是指在奥氏体生成的最低温度时的碳含量（0.77wt%C）。
铁素体-渗碳体混合相在冷却形成时有一个特殊的外貌，被称为珠光体，可作为微观结构实体或微观组成物来进行处理。
Fe-C合金相图详解
组织组成物
相组成物
§4.4 铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系 1 含碳低于2.11%的合金 性能上，随碳含量增加，强度提高，塑性降低。 ● C=1%时，抗拉强度最大 ● C >1%时，网状碳化物析出，强度降低 2 含碳为2.11%-6.6%的合金 ● 莱氏体硬、脆，可用于球磨机的磨球 ● 石墨化处理，得到铁和石墨的组织， 软，强度低。 3 对加工性能的影响 ● 可锻性：碳含量过高，可锻性差 锻造温度选在γ区， 锻造温度：固相线+100-200℃ ● 流动性 ：液固线温差小，流动性好
室温下的组织： 亚共析钢 (hypo-eutectoid steel)
3 C=1.2%
L
L+γ
γ
γ+Fe3CII P+Fe3CII P
γ+Fe3CII
γ+P+Fe3CII
727 γ S ←℃→ α P + Fe3C
室温下的组织： P + Fe3CII 过共析钢 (hyper-eutectoid steel)
3 铁碳合金相 铁素体（ferrite）： 碳溶入α-Fe或δ-Fe中形成的固溶体， 记作：α（或F）及δ 奥氏体（austenite）： 碳溶入γ-Fe中形成的固溶体， 记作γ（或A）
§4.2 铁碳合金相图分析 1 点(T, w(c)%) E ：碳在γ-Fe中的最大溶解度 C：共晶点(eutectic point) S：共析点(eutectoid point) A：纯铁熔点 G ：α-Fe和γ-Fe同素异构转变点 N ：δ-Fe和γ-Fe同素异构转变点 P ：碳在α-Fe中的最大溶解度 J ：包晶点(peritectic point) H ：碳在δ-Fe中的最大溶解度 B ：包晶反应时液态合金的浓度 Q ：室温时碳在α-Fe中的溶解度 D ：渗碳体熔点
铁碳合金非平衡组织观察与分析课件
功能材料与器件开发
功能材料与器件在现代科技领域具有广泛的应用前景，如 电子信息、新能源、生物医疗等。通过观察和分析铁碳合 金的非平衡组织，可以为功能材料与器件的开发提供新的 思路和方法。
定义
铁碳合金是由铁元素和碳元素组 成的合金，是钢和铸铁的统称。
分类
根据碳含量，铁碳合金可分为低 碳钢、中碳钢和高碳钢；根据生 产工艺，可分为铸铁和锻钢。
铁碳合金的相图
01
铁碳相图是表示铁碳合金在不同 温度和成分下组织状态变化的图 谱，是研究铁碳合金的基础。
02
相图中的点和线分别代表不同的 组织状态，如液相、奥氏体、铁 素体、渗碳体等。
2023-2026
ONE
KEEP VIEW
铁碳合金非平衡组织 观察与分析课件
REPORTING
CATALOGUE
目 录
• 铁碳合金基础知识 • 非平衡组织形成机理 • 非平衡组织观察技术 • 非平衡组织分析方法 • 非平衡组织的性能与优化 • 非平衡组织的实际应用
PART 01
铁碳合金基础知识
铁碳合金的定义与分类
溶质再分配与微观偏析
在非平衡凝固过程中，溶质再分配导 致微观偏析。
微观偏析程度与冷却速度、溶质元素 种类和浓度有关。
溶质富集和贫瘠区域的形成，影响组 织结构和性能。
PART 03
非平衡组织观察技术
金相显微镜观察
观察材料表面形貌
金相显微镜能够观察金属 材料的表面形貌，如晶粒 大小、相界等。
确定组织组成
通过金相显微镜观察，可 以识别铁碳合金中的不同 相，如铁素体、奥氏体、 渗碳体等。
Fe-C相图知识
铁碳相图和铁碳合金(一)钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。
因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC 和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图【说明】图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
讲座4Fe-C相图与相转变图总结与热处理基础
Bainite is a eutectoid decomposition that is a mixture of ferrite and cementite. （贝氏体是介于扩散性珠光体与非 扩散性马氏体之间的一中间转变。其转变没有铁原子的扩 散，但通过切变进行从奥氏体向铁素体的点阵重构，并通 过碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。） Martensite, the hardest constituent, forms during severe quenches from supersaturated austenite by a shear transformation. Its hardness increases monotonically with carbon content up to about 0.7 wt%. If these unstable metastable products are subsequently heated to a moderately elevated temperature, they decompose to more stable distributions of ferrite and carbide. The reheating process is sometimes known as tempering 回火or annealing退火.
平衡相图不能说明的相变动力学过 程与亚稳态相 必须用非稳态相转变图来描述
Transformation Diagrams 各种相转变图
The kinetic aspects of phase transformations are as important as the equilibrium diagrams for the heat treatment of steels. The metastable phase martensite and the morphologically metastable microconstituent bainite, which are of extreme importance to the properties of steels, can generally form with comparatively rapid cooling to ambient temperature. That is when the diffusion of carbon and alloying elements is suppressed or limited to a very short range. 列出钢中常见稳态相与亚稳态相。
铁碳合金的平衡组织与非平衡组织教学课件PPT
相组成物： Fe3C
F
相相对量：
C%=6.69% C%<0.0008%
F%=
Fe3C%= 组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）
Materials Engineering MAT,SWJTU 教程首页 本章首页 上一页
下一页 结束放映
第四章 铁碳合金的平衡组织与非平衡组织
(一)Fe-C合金平衡结晶过程分 析
Materials Engineering MAT,SWJTU 教程首页 本章首页 上一页 下一页 结束放映
第四章 铁碳合金的平衡组织与非平衡组织
三、相图分析
2．液固相线 液相线ACD 固相线AECF
3．溶解度线 ES线：碳在A中的固溶
线——Acm， 1148 ℃ ，2.11% 727 ℃，0.77%， A——A+Fe3CII 如： Le——(P+Fe3CII)+Fe3C共晶—— 低温莱氏体 Le’
Fe3CII
T12钢金相
相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量： Fe3CII%= P%=
Materials Engineering MAT,SWJTU 教程首页 本章首页 上一页 下一页 结束放映
第四章 铁碳合金的平衡组织与非平衡组织
(一)Fe-C合金平衡结晶过程分 析5．共晶白口铁（C%=4.3%）
第四章
铁碳合金的平衡组织与非平衡组织
[重点掌握] [一般要求] [教学内容]
Materials Engineering MAT,SWJTU 教程首页 本章首页 上一页 下一页 结束放映
第四章 铁碳合金的平衡组织与非平衡组织 [教学内容]
§4．1 Fe-Fe3C相图 §4．2 Fe-C合金平衡结晶过程 §4．3 复线铁碳相图 §4．4 铁碳相图的应用及局限 §4．5 钢在加热时的组织转变 §4．6 钢在冷却过程中的组织转变 [一般要求] 1.各类特殊性能铸铁的成分，组织，性能特点和应用； 2.白口铁的组织与性能。
Fe-C相图
共析钢
平衡态下的相变过程
合金②的wc=0.77%，是共析成分的铁碳合金——共析钢。 在1点以上合金处于均匀的液相状态。在1～2点之间是它的 结晶温度区间，是液相与奥氏体相的两相共存区。即当冷到 1点以下从液相（L）中产生奥氏体（A）相晶核并长大，冷 却直到2点时，全部液相都结晶成奥氏体。2～3点之间是奥 氏体单相区，这个温度区间没有相变，只是A的简单冷却。 当冷到3点发生共析转变。A←→P(F+Fe3C)。奥氏体相变成 F和Fe3C的两相机械混合物的珠光体（P）。珠光体中的F和 Fe3C分别被称为共析铁素体和共析渗碳体。其形态一般情况 下是片层状分布。片层位向基本相同的区域称为一个珠光体 团。
✓ 当wc=4.3％，温度为1148℃时铁碳合金发生共晶转变。 L4.3←→（A+Fe3C）≡Ld即碳的质量分数为4.3％铁碳 合金液相结晶时发生共晶转变产生了奥氏体和渗碳体机 械混合物的共晶体。这个共晶体命名为高温莱氏体，代 号为Ld。高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组 织。
✓ 在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变变 成珠光体。这是的莱氏体就变成由P和Fe3C组成。成为 低温莱氏体，低温莱氏体是铁碳合金在室温下的另一个 基本组织。
室温组织
过共晶白口铸铁 在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶 液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基本上分布着亮白色 的粗大条片状的一次渗碳体，其显微组织如图所示。
室温组织 含钢量在0.0218％～0.77％范围内的碳钢合金其组织由先共析 铁素体和珠光体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐 渐减少，而珠光体的数量则相应地增多；亮白色为铁素体，暗 黑色为珠光体。
20钢室温显微组织（250×） 60钢室温显微组织（250×）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Fe-C相图与非平衡相转变总结
钢通常被定义为一种铁和碳的合金，其中碳含量在几个ppm到2.11wt%之间。
其它的合金元素在低合金钢中可总计达5wt%,在高合金钢例如工具钢，不锈钢（>10.5%）和耐热CrNi钢（>18%）合金元素含量甚至更高。
钢可以展现出一系列的性能，这些性能依据于钢的组成，相状态和微观组
成结构，而这些又取决
于钢的热处理。
Fe-C相图
理解钢的热处理
的基础是Fe-C相图（图
一）。
图一实际上有两
个图：（1）稳定态Fe-C图（点划线），（2）亚稳态Fe-Fe3C图。
由于稳态需要很长时间才能达到，特别是在低温和低碳情况下，亚稳态往往引起人们更多的兴趣。
Fe-C相图告诉我们，在不同碳含量的组成和温度下，达稳态平衡或亚稳态平衡时哪些相会生成。
我们区别了a-铁素体和奥氏体，a-铁素体在727°C （1341°F）时最多溶解0.028%C，奥氏体在1148°C （2098°F）可溶解2.11wt%C。
在碳多的一侧我们发现了渗碳体（Fe3C），另外，除了高合金钢之外，高温下存在的a-铁素体引起我们较少的兴趣。
在单相区之间存在着两相混合区，例如铁素体和渗碳体，奥氏体
和渗碳体，铁素体和奥氏体。
在最高温下，液相区可被发现，在液相区以下有两相区域液态奥氏体，液态渗碳体和液态铁素体。
在钢的热处理中，我们总是避免液相的生成。
我们给单相区一些重要的边界特殊的名字：（1）A1，低共熔温度，是奥氏体生成的最低温度；（2）A3，奥氏体区域的低温低碳边界，也即r/(r+a)边界；（3）Acm,奥氏体区域的高碳边界，也即r/(r+Fe3C)边界。
低共熔温度碳含量是指在奥氏体生成的最低温度时的碳含量（0.77wt%C）。
铁素体-渗碳体混合相在冷却形成时有一个特殊的外貌，被称为珠光体，可作为微观结构实体或微观组成物来进行处理。
珠光体是一种a-铁素体和渗碳体薄片的混合物，渗碳体薄片又退化为渗碳体颗粒散步在一个铁素体基质中，散步过程发生在铁素体基质扩散接近A1边界之后。
Fe-C相图源于实验。
但是，热力学原理和现代热力学的数据的相关知识可以为我们提供关于相图的精确计算。
当相图边界不得不被推测和低温下实验平衡很慢达到时，这种计算特别有用。
如果合金元素加入Fe-C相图，A1,A3,Acm边界的位置和低共熔组成的位置会变化。
值得一提的是，所有重要的合金元素降低了低共熔碳含量。
奥氏体的稳定元素锰，镍降低了A3，铁素体稳定元素铬，硅，钼和钨增加A3。
平衡相图不能说明的相变动力学过程与亚稳态相，必须用非稳态相转变图来描述。
各种相转变图
在钢的热处理中，相变的动力学因素与平衡图表同样重要。
对于
钢的性能特别重要的亚稳相马氏体和形态上亚稳态的微观组成物贝氏体，可以在相对急速冷却至环境温度时产生。
这时碳和合金杂质的扩散受抑制或者限制在极小范围内。
贝氏体是一种低共熔组成物，是铁素体和渗碳体的混合物。
最硬的组成物马氏体，在极度饱和的奥氏体快速冷却时通过完全转化形成，当碳含量增加至大约0.7wt%时，马氏体的硬度增加。
如果这些不稳定的亚稳态产物接下来加热至一个适度的高温，它们分解为更稳定的铁素体和碳化物。
这种重新加热的过程有时被称为回火或退火。
钢加热奥氏体化是热处理的前提。
环境温度下铁素体-珠光体或镇定马氏体的结构到高温下奥氏体或奥氏体-碳化物的结构转变对于钢的热处理同样重要。
钢的热处理涉及的四种相转变条件
我们可以利用相图方便地描述出在相变时发生了什么。
四种不同的图可以被区别，它们是：（1）加热过程的奥氏体的等温转变，奥氏体化；（2）冷却过程奥氏体的等温转变，奥氏体的分解；（3）连续加热过程的奥氏体化；（4）连续冷却过程的奥氏体的分解。
加热过程的奥氏体化
这种图展现了当钢在恒温时维持很长一段时间时所呈现的状态。
通过维持一些小样品在铅或盐浴中并在依次增加维持时间后每次冷却一个样品，之后在显微镜下观察在微观结构中生成的相的数量可以了解微观结构随时间的变化。
共析钢加热过程的奥氏体化
在奥氏体的转变中，先从原始的铁素体和珠光体或镇定马氏体转
变为较为紧密的奥氏体，这
种转变中体积减小。
在延长
的曲线中，奥氏体形成的开
始和结束时间通常被分别
定义为转变进行至1%和99%
时。
ITh diagrams
冷却过程奥氏体的等温转变，奥氏体的分解，TTT DIAGRAMS 这个过程在高温下开始，通常是在维持长时间获得均一的奥氏体而没有不溶解的碳化物后在奥氏体范围内发生，这之后又通过快速冷却至理想温度。
A3边界上没有转变可以发生，在A1边界到A3边界之间只有铁素体可以通过奥氏体形成。
连续加热过程的奥氏体化，CRT DIAGRAMS
在实际热处理情况下，恒温不要求，但要求在冷却或加热时有一个连续变化的温度。
因此，如果相图使用的连续增加或减小的温度建立在膨胀计数据之上，我们可以获得更多的实用信息。
如同ITH图，
CRT图在预测发生在感应和之后的变硬过程中的短期奥氏体化的效果很有用。
一个典型的问题是在一个规定的加热速率下，达到完全的奥氏体化最大的表面温度有多高。
当温度太高时，可引起我们不希望的奥氏体晶粒成长，这些又会导致一个更易破碎的马氏体的微观结构。
连续冷却过程的奥氏体的分解，CCT DIAGRAMS
对于加热的图表，清晰地阐述转变图来源于哪种冷却曲线是很重要的。
在实验操作中使用一个恒定的冷却速率是很平常的，但是，这种现象在实验状况下很少发生。
我们也可以根据牛顿冷却定律找出所谓的自然冷却曲线，这些曲线模拟了大范围内部的行为，例如，在特殊条带上距冷却端一段距离的冷却速率。
接近条纹样本的表面冷却速率的特征非常复杂。
每一个CCT图包含了一系列在圆柱样本不同深度的冷却速率曲线。
最慢的冷却速率曲线代表了圆柱的中心。
冷却介质越不均匀，C形状曲线需要越长时间去改变，但M温度不受影响。
但是值得注意的是，这种转变图不能用于预言那些不同于构建图表的热学历史的反应。
例如，在Ms之上第一次冷却从急速到缓慢而后重新加热至高温是一个很快的转变，这种转变快于在TTT图表上所显示的因为在开始的冷却中成核过程大大加速。
同样值得注意的是转变图对于在一定允许组成范围内精确的合金含量是十分敏感的。
冶金064班学习小组：赖晓寒同学整理完成。